常壓等離子體處理對PBO纖維表面性能的多維度影響研究一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)不斷進步的當(dāng)下，高性能纖維材料憑借其獨特優(yōu)勢，在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，聚對苯撐苯并二惡唑（PBO）纖維便是其中備受矚目的一種。PBO纖維自20世紀80年代由美國為發(fā)展航天航空事業(yè)而開發(fā)以來，其研究與應(yīng)用不斷取得新進展。它由苯環(huán)、噁唑環(huán)和對苯撐基團組成獨特分子結(jié)構(gòu)，賦予了纖維一系列優(yōu)異性能。其強度高達鋼的8倍，模量是鋼的5倍，能在承受高強度負載的應(yīng)用場景中發(fā)揮顯著優(yōu)勢，比如在航空航天領(lǐng)域，可用于制造輕質(zhì)高強的結(jié)構(gòu)件，提升飛行器的性能與安全性。在耐高溫方面表現(xiàn)卓越，長期使用溫度可達300℃，短時使用溫度甚至可達400℃，分解溫度更是高達580℃，在高溫環(huán)境下仍能保持良好力學(xué)性能，可用于制造高溫過濾用耐熱過濾材料、處理熔融金屬現(xiàn)場用的耐熱工作服等。而且它還具有出色的化學(xué)穩(wěn)定性，對酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)有極強耐受能力，在化工領(lǐng)域，可用于制造耐腐蝕的管道和容器，提高設(shè)備的耐用性和安全性。此外，PBO纖維密度僅為鋼的1/5，在需要減輕重量以提高性能的應(yīng)用場景，如運動器材領(lǐng)域，可用于制造輕質(zhì)高強的球拍、高爾夫球桿等，提高運動員的成績和體驗。同時，其優(yōu)良的阻燃性能，極限氧指數(shù)達68，在火焰中不燃燒、不收縮，使其在消防安全領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如用于制造消防服、防火簾等產(chǎn)品，保護人們的安全。盡管PBO纖維擁有眾多優(yōu)異性能，但在實際應(yīng)用中，其表面性能的不足限制了它在一些領(lǐng)域的進一步應(yīng)用與性能發(fā)揮。PBO纖維分子中含苯環(huán)及芳雜環(huán)，取向度高，表面光滑且缺少活性基團，呈化學(xué)惰性，這導(dǎo)致其潤濕性差，與樹脂基體間的界面粘結(jié)性能不佳。在復(fù)合材料的制備中，纖維與基體間的界面粘結(jié)直接影響復(fù)合材料的綜合性能，界面粘結(jié)性能差會使纖維力學(xué)性能難以充分發(fā)揮，嚴重制約了PBO纖維在高性能復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用。在制造航空航天用的PBO纖維增強復(fù)合材料時，若界面粘結(jié)不好，在飛行器飛行過程中，受到各種外力作用，纖維與基體可能會分離，降低復(fù)合材料的強度和穩(wěn)定性，影響飛行器的安全性能。因此，提升PBO纖維的表面性能，增強其與樹脂基體間的界面粘結(jié)性能，成為拓展PBO纖維應(yīng)用領(lǐng)域、提高其使用價值的關(guān)鍵。在眾多提升PBO纖維表面性能的方法中，常壓等離子體處理技術(shù)脫穎而出，展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。等離子體是物質(zhì)的一種特殊狀態(tài)，由大量帶電粒子和中性粒子組成，具有高能量和高反應(yīng)性。常壓等離子體處理技術(shù)在常壓下利用高頻交變電場將氣體電離產(chǎn)生等離子態(tài)氣體，無需復(fù)雜的真空系統(tǒng)，成本低，且能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)處理，克服了傳統(tǒng)低壓等離子體處理的缺點。該技術(shù)作用于PBO纖維表面時，一方面，等離子體中的活性粒子與纖維表面相互作用，形成纖維表面自由基和活性基團，提高表面自由能和滲透性。這些活性基團可以與樹脂基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，從而增強纖維與基體間的界面粘結(jié)。另一方面，活性粒子能夠去除纖維表面的有機污染物，使纖維表面更加清潔，有利于與樹脂基體的結(jié)合。等離子體的刻蝕作用還能使PBO纖維表面變得凹凸不平，增加表面粗糙度和比表面積，進一步提高纖維的潤濕性和與樹脂基體的機械咬合作用。研究常壓等離子體處理對PBO纖維表面性能的影響具有重要的理論與實際意義。從理論層面來看，深入探究常壓等離子體與PBO纖維表面的相互作用機制，有助于豐富和完善材料表面改性的理論體系，為其他高性能纖維的表面改性研究提供參考和借鑒。不同氣體氛圍、等離子體處理功率、時間等參數(shù)對PBO纖維表面性能的影響規(guī)律研究，能深化對材料表面物理化學(xué)變化過程的認識。從實際應(yīng)用角度出發(fā)，通過優(yōu)化常壓等離子體處理工藝參數(shù)，提升PBO纖維的表面性能，可有效拓寬其在航空航天、汽車工業(yè)、高性能運動器材、化工、消防安全等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。在航空航天領(lǐng)域，可提高PBO纖維增強復(fù)合材料在飛行器結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用性能和可靠性；在汽車工業(yè)中，能用于制造更輕、更強的汽車零部件，提高汽車的燃油效率和安全性能；在高性能運動器材領(lǐng)域，可制造出性能更優(yōu)異的運動裝備，提升運動員的競技水平。因此，開展常壓等離子體處理對PBO纖維表面性能影響的研究具有重要的科學(xué)價值和廣闊的應(yīng)用前景。1.2PBO纖維概述PBO纖維，全稱聚對苯撐苯并二惡唑纖維（Poly-p-phenylenebenzobisoxazoleFiber），是一種高性能有機纖維。其分子主鏈由苯環(huán)、噁唑環(huán)和對苯撐基團構(gòu)成，這種獨特的分子結(jié)構(gòu)為PBO纖維賦予了一系列優(yōu)異的性能。從分子結(jié)構(gòu)角度來看，苯環(huán)和噁唑環(huán)的共軛體系使分子鏈具有較高的剛性和穩(wěn)定性，對苯撐基團則進一步增強了分子鏈間的相互作用，從而使PBO纖維表現(xiàn)出高模量、高強度等特性。PBO纖維的力學(xué)性能十分突出，其強度高達4.5GPa，模量可達400GPa，分別是鋼的8倍和5倍。在航空航天領(lǐng)域，飛行器的結(jié)構(gòu)件需要承受巨大的應(yīng)力，PBO纖維的高強度和高模量特性使其成為制造機翼、機身等結(jié)構(gòu)件的理想材料，能夠在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時，保證飛行器的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性，提高飛行器的性能和安全性。PBO纖維的密度僅為1.56g/cm3，約為鋼的1/5，這使得它在對重量有嚴格要求的應(yīng)用場景中具有明顯優(yōu)勢。在運動器材領(lǐng)域，如制造網(wǎng)球拍、高爾夫球桿等，使用PBO纖維可以降低器材的重量，同時提高其強度和彈性，使運動員能夠更輕松地操作器材，提高運動成績和體驗。PBO纖維的耐熱性能也十分卓越，長期使用溫度可達300℃，短時使用溫度可達400℃，分解溫度更是高達580℃。在高溫環(huán)境下，PBO纖維仍能保持良好的力學(xué)性能，不會發(fā)生分解或變形等問題。在化工領(lǐng)域，一些生產(chǎn)過程需要在高溫環(huán)境下進行，PBO纖維可用于制造耐高溫的管道和容器，確?；どa(chǎn)的安全和穩(wěn)定。PBO纖維還具有出色的化學(xué)穩(wěn)定性，對酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)有極強的耐受能力，在化工領(lǐng)域的耐腐蝕管道和容器制造中發(fā)揮重要作用，提高設(shè)備的耐用性和安全性。PBO纖維在眾多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，由于其輕質(zhì)、高強、耐高溫的特性，被用于制造飛行器的結(jié)構(gòu)部件，如機身、機翼等，有助于減輕飛行器重量，提高飛行性能和燃油效率。在汽車工業(yè)中，PBO纖維增強復(fù)合材料可用于制造汽車車身、內(nèi)飾件等，減輕車身重量，提高燃油效率，同時增強車身的抗沖擊性和抗變形能力。在運動器材領(lǐng)域，利用PBO纖維的高強度和低密度特性，制造出高性能的網(wǎng)球拍、高爾夫球桿等，提升運動員的競技水平。在消防安全領(lǐng)域，PBO纖維的優(yōu)良阻燃性能使其成為制造消防服、防火簾等產(chǎn)品的理想材料，能有效保護人們的生命和財產(chǎn)安全。然而，PBO纖維表面性能存在一定缺陷，限制了其更廣泛應(yīng)用。PBO纖維分子中含苯環(huán)及芳雜環(huán)，取向度高，表面光滑且缺少活性基團，呈化學(xué)惰性。這導(dǎo)致其潤濕性差，與樹脂基體間的界面粘結(jié)性能不佳。在制備PBO纖維增強復(fù)合材料時，纖維與樹脂基體之間的界面粘結(jié)是影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素。由于PBO纖維表面的化學(xué)惰性和光滑性，使得纖維與樹脂基體之間難以形成良好的化學(xué)鍵合和機械錨固，從而降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。在航空航天用的PBO纖維增強復(fù)合材料中，如果界面粘結(jié)性能不好，在飛行器飛行過程中，受到各種外力作用時，纖維與基體可能會分離，導(dǎo)致復(fù)合材料的強度和穩(wěn)定性下降，影響飛行器的安全性能。因此，改善PBO纖維的表面性能，提高其與樹脂基體間的界面粘結(jié)性能，對于拓展PBO纖維的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。1.3常壓等離子體處理技術(shù)常壓等離子體處理技術(shù)是一種新興的材料表面改性技術(shù)，近年來在纖維材料表面改性領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)，由大量帶電粒子（如電子、離子）和中性粒子（如原子、分子、自由基）組成。在常壓等離子體處理過程中，通常利用高頻交變電場將氣體電離，從而產(chǎn)生等離子態(tài)氣體。這種等離子態(tài)氣體具有高能量和高反應(yīng)性，能夠與材料表面發(fā)生物理和化學(xué)相互作用，實現(xiàn)對材料表面性能的調(diào)控。從原理上講，常壓等離子體中的活性粒子（如自由基、離子等）與PBO纖維表面相互作用時，會引發(fā)一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)過程。一方面，活性粒子能夠與纖維表面的原子或分子發(fā)生碰撞，通過能量傳遞和化學(xué)反應(yīng)，在纖維表面形成自由基和活性基團。這些自由基和活性基團可以與后續(xù)引入的其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實現(xiàn)對纖維表面的功能化修飾?；钚粤Ｗ涌梢耘c纖維表面的碳原子發(fā)生反應(yīng)，形成羥基、羧基等活性基團，這些基團能夠增加纖維表面的極性，提高其與極性樹脂基體的相容性和粘結(jié)力。另一方面，等離子體中的高能粒子還具有刻蝕作用，能夠去除纖維表面的有機污染物和雜質(zhì)，使纖維表面更加清潔?？涛g作用還會使纖維表面變得凹凸不平，增加表面粗糙度和比表面積。表面粗糙度的增加可以提高纖維與樹脂基體之間的機械咬合作用，從而增強界面粘結(jié)性能。在復(fù)合材料中，粗糙的纖維表面能夠更好地與樹脂基體相互交織，形成更牢固的界面結(jié)合，提高復(fù)合材料的整體性能。常壓等離子體處理技術(shù)相較于傳統(tǒng)的纖維表面改性方法，具有諸多顯著特點。該技術(shù)屬于干法處理工藝，在處理過程中無需使用大量的化學(xué)試劑，避免了傳統(tǒng)濕法處理帶來的環(huán)境污染和廢水排放問題，符合當(dāng)前環(huán)保理念。常壓等離子體處理過程能耗低，能夠有效降低生產(chǎn)成本。而且，該技術(shù)可以在常溫下進行，不會對纖維的本體性能造成明顯影響，能夠保持纖維原有的優(yōu)異性能。常壓等離子體處理技術(shù)操作靈活簡單，處理速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。在紡織工業(yè)中，可以將常壓等離子體設(shè)備集成到生產(chǎn)線中，對連續(xù)運行的纖維材料進行表面改性處理，提高生產(chǎn)效率。在纖維表面改性領(lǐng)域，常壓等離子體處理技術(shù)已展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和實際應(yīng)用價值。在天然纖維改性方面，常用于改善棉、麻、絲、毛等天然纖維的表面性能。對于棉纖維，通過常壓等離子體處理，可以在纖維表面引入親水性基團，提高棉纖維的吸濕性和染色性能。處理后的棉纖維在染色過程中，染料能夠更均勻地附著在纖維表面，染色深度和色牢度都得到提高。在合成纖維改性方面，常壓等離子體處理技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。對于聚酯纖維，等離子體處理可以使纖維表面粗糙化，引入極性基團，從而提高聚酯纖維的親水性和粘結(jié)性能，增強其與其他材料的復(fù)合效果。在高性能纖維領(lǐng)域，如碳纖維、芳綸纖維等，常壓等離子體處理技術(shù)同樣能夠有效改善纖維的表面性能，提高其與樹脂基體的界面粘結(jié)強度。對于碳纖維，等離子體處理可以去除表面的雜質(zhì)和弱界面層，增加表面活性基團，使碳纖維與樹脂基體之間的粘結(jié)力增強，從而提高碳纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)性能。在PBO纖維表面改性方面，常壓等離子體處理技術(shù)也被認為是一種非常有潛力的方法，能夠有效改善PBO纖維表面的化學(xué)惰性和光滑性，提高其與樹脂基體的界面粘結(jié)性能，拓展PBO纖維在高性能復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用。1.4研究目的與內(nèi)容本研究旨在深入探究常壓等離子體處理對PBO纖維表面性能的影響，通過系統(tǒng)研究不同處理參數(shù)下PBO纖維表面的物理和化學(xué)變化，揭示常壓等離子體與PBO纖維表面的相互作用機制，為優(yōu)化PBO纖維表面性能提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，進而推動PBO纖維在高性能復(fù)合材料等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。本研究將從以下幾個方面展開具體內(nèi)容：表面形貌分析：運用掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）等先進技術(shù)，對未處理的原始PBO纖維和經(jīng)過不同參數(shù)（處理功率、處理時間、氣體種類等）常壓等離子體處理后的PBO纖維表面微觀形貌進行細致觀察和對比分析。深入研究等離子體處理對纖維表面粗糙度、刻蝕程度、微觀結(jié)構(gòu)等方面的影響，全面掌握表面形貌的變化規(guī)律。通過SEM圖像，可直觀地觀察到纖維表面是否出現(xiàn)刻痕、溝槽、微孔等微觀結(jié)構(gòu)變化；利用AFM測量纖維表面的粗糙度參數(shù)，定量分析表面粗糙度的改變情況。化學(xué)組成分析：采用X射線光電子能譜（XPS）和傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）等分析手段，對PBO纖維表面的化學(xué)組成和官能團進行深入分析。通過XPS分析，確定纖維表面元素的種類和含量變化，以及原子的化學(xué)狀態(tài)，明確等離子體處理是否在纖維表面引入了新的活性基團。FT-IR分析則用于檢測纖維表面化學(xué)鍵的變化，進一步驗證新活性基團的存在，并探究其與等離子體處理參數(shù)之間的關(guān)系。表面潤濕性分析：借助接觸角測量儀，對未處理和處理后的PBO纖維表面與不同液體（如水、二碘甲烷等）的接觸角進行精確測量，從而準確評價纖維的表面潤濕性。研究不同等離子體處理條件下，纖維表面接觸角的變化情況，分析表面潤濕性與表面形貌、化學(xué)組成之間的內(nèi)在聯(lián)系。接觸角的減小意味著表面潤濕性的提高，通過實驗數(shù)據(jù)的對比分析，找出提高PBO纖維表面潤濕性的最佳等離子體處理參數(shù)。界面粘結(jié)性能分析：以環(huán)氧樹脂等常用樹脂為基體，制備PBO纖維增強復(fù)合材料，通過單絲拔出試驗、層間剪切強度測試等方法，系統(tǒng)研究常壓等離子體處理對PBO纖維與樹脂基體間界面粘結(jié)性能的影響。深入分析界面粘結(jié)性能與纖維表面性能（表面形貌、化學(xué)組成、潤濕性等）之間的相關(guān)性，建立界面粘結(jié)性能的評價模型。單絲拔出試驗可以直接測量纖維從基體中拔出所需的力，反映纖維與基體間的界面粘結(jié)強度；層間剪切強度測試則用于評估復(fù)合材料層間的抗剪切能力，間接反映界面粘結(jié)性能。相互作用機制研究：綜合表面形貌、化學(xué)組成、表面潤濕性和界面粘結(jié)性能等多方面的研究結(jié)果，深入探討常壓等離子體與PBO纖維表面的相互作用機制。分析等離子體中的活性粒子與纖維表面的原子或分子之間的物理和化學(xué)作用過程，解釋表面性能變化對界面粘結(jié)性能的影響機理。從微觀層面揭示等離子體處理如何改變纖維表面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，為進一步優(yōu)化等離子體處理工藝提供理論基礎(chǔ)。二、實驗部分2.1實驗材料本實驗選用的PBO纖維由[具體生產(chǎn)廠家]提供，型號為[具體型號]，其主要性能參數(shù)如下：纖維密度為1.56g/cm3，拉伸強度達到5.8GPa，拉伸模量為280GPa，斷裂伸長率為2.5%。該PBO纖維具有較高的結(jié)晶度和取向度，分子鏈排列緊密，呈現(xiàn)出化學(xué)惰性，表面光滑且缺乏活性基團，這為后續(xù)研究常壓等離子體處理對其表面性能的影響提供了典型的研究對象。實驗中使用的常壓等離子體處理設(shè)備為[設(shè)備型號]，由[設(shè)備生產(chǎn)廠家]生產(chǎn)。該設(shè)備采用射頻電源產(chǎn)生等離子體，工作頻率為13.56MHz，功率調(diào)節(jié)范圍為50-300W，可實現(xiàn)對處理功率的精確控制。設(shè)備配備有氣體流量控制系統(tǒng)，能夠精確調(diào)節(jié)處理過程中通入的氣體流量，氣體種類可根據(jù)實驗需求選擇，如氧氣（O?）、氮氣（N?）、氬氣（Ar）等。在本實驗中，主要研究氧氣和氬氣作為處理氣體時對PBO纖維表面性能的影響。設(shè)備的處理區(qū)域為一個矩形腔體，尺寸為[長×寬×高]，可同時處理多根PBO纖維，滿足實驗的需求。為全面分析常壓等離子體處理對PBO纖維表面性能的影響，還使用了一系列其他實驗儀器。采用掃描電子顯微鏡（SEM，型號為[SEM型號]，由[SEM生產(chǎn)廠家]生產(chǎn)）觀察纖維表面的微觀形貌，其分辨率可達1nm，能夠清晰呈現(xiàn)纖維表面在處理前后的細微結(jié)構(gòu)變化，如刻蝕痕跡、表面粗糙度的改變等。利用原子力顯微鏡（AFM，型號為[AFM型號]，由[AFM生產(chǎn)廠家]生產(chǎn)）對纖維表面的粗糙度進行定量分析，通過測量表面高度的變化，獲取纖維表面粗糙度參數(shù)，如算術(shù)平均粗糙度（Ra）和均方根粗糙度（Rq）等，進一步準確評估表面形貌的改變。借助X射線光電子能譜儀（XPS，型號為[XPS型號]，由[XPS生產(chǎn)廠家]生產(chǎn)）分析纖維表面的化學(xué)組成和元素價態(tài)，其檢測精度可達0.1%，能夠確定表面元素的種類、含量以及原子的化學(xué)狀態(tài)，從而明確等離子體處理是否在纖維表面引入了新的活性基團。運用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，型號為[FT-IR型號]，由[FT-IR生產(chǎn)廠家]生產(chǎn)）檢測纖維表面化學(xué)鍵的變化，通過分析特征吸收峰的位置和強度，驗證新活性基團的存在，并探究其與等離子體處理參數(shù)之間的關(guān)系。使用接觸角測量儀（型號為[接觸角測量儀型號]，由[接觸角測量儀生產(chǎn)廠家]生產(chǎn)）測量纖維表面與不同液體的接觸角，以此評價纖維的表面潤濕性，測量精度可達0.1°，通過接觸角的變化直觀反映表面潤濕性的改變。在研究PBO纖維與樹脂基體間的界面粘結(jié)性能時，采用萬能材料試驗機（型號為[萬能材料試驗機型號]，由[萬能材料試驗機生產(chǎn)廠家]生產(chǎn)）進行單絲拔出試驗和層間剪切強度測試，其最大載荷可達[具體載荷值]，能夠準確測量纖維從基體中拔出所需的力以及復(fù)合材料層間的抗剪切能力，為評估界面粘結(jié)性能提供數(shù)據(jù)支持。2.2實驗方法2.2.1樣品制備將長度為5cm的PBO纖維束放入索氏提取器中，以丙酮為溶劑抽提24h，每8h更換一次溶劑，以徹底去除纖維表面的油污、雜質(zhì)和上漿劑等。丙酮用量以能夠充分淹沒纖維束為準，一般為纖維質(zhì)量的10-20倍。抽提完成后，取出纖維束，先后用去離子水和無水乙醇各洗滌3次，每次洗滌時間為15min，以去除殘留的丙酮。將洗滌后的纖維束置于80℃的真空烘箱中干燥12h，去除水分，得到預(yù)處理后的PBO纖維樣品，備用。2.2.2常壓等離子體處理將預(yù)處理后的PBO纖維樣品固定在常壓等離子體處理設(shè)備的樣品臺上，調(diào)整樣品位置，使其處于等離子體處理區(qū)域的中心位置。實驗中分別選用氧氣（O?）和氬氣（Ar）作為處理氣體，研究不同氣體種類對PBO纖維表面性能的影響。通過質(zhì)量流量控制器精確控制氣體流量，氣體流量范圍設(shè)置為5-20sccm。在前期預(yù)實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體流量小于5sccm時，等離子體產(chǎn)生不穩(wěn)定，處理效果不佳；當(dāng)氣體流量大于20sccm時，雖等離子體活性增強，但對纖維表面的刻蝕過度，會損傷纖維本體性能。處理功率設(shè)置為50-300W，通過調(diào)節(jié)射頻電源來實現(xiàn)功率控制。較低功率下，等離子體活性粒子能量較低，與纖維表面的作用較弱；較高功率下，活性粒子能量過高，可能會對纖維結(jié)構(gòu)造成破壞。處理時間設(shè)定為1-10min，隨著處理時間延長，纖維表面改性效果會增強，但過長時間可能導(dǎo)致纖維性能下降。設(shè)置不同的處理參數(shù)組合，對PBO纖維樣品進行處理，每組處理參數(shù)下制備3個平行樣品，以保證實驗結(jié)果的準確性和可靠性。2.2.3性能測試方法接觸角測量：采用躺滴法，使用接觸角測量儀對未處理和經(jīng)過常壓等離子體處理后的PBO纖維表面與去離子水、二碘甲烷的接觸角進行測量。將纖維樣品固定在樣品臺上，調(diào)節(jié)樣品臺高度和角度，使纖維表面處于水平狀態(tài)。通過微量注射器將3μL的測試液滴在纖維表面，迅速啟動接觸角測量儀，拍攝液滴在纖維表面的靜態(tài)圖像。利用接觸角測量儀自帶的分析軟件，采用橢圓擬合法對圖像進行分析，測量液滴與纖維表面的接觸角。每個樣品在不同位置測量5次，取平均值作為該樣品的接觸角，以減小測量誤差。根據(jù)接觸角大小評價纖維表面潤濕性，接觸角越小，表明纖維表面潤濕性越好。X射線光電子能譜分析：使用X射線光電子能譜儀對PBO纖維表面的元素組成和化學(xué)狀態(tài)進行分析。將纖維樣品裁剪成合適大小，固定在樣品臺上，放入X射線光電子能譜儀的樣品腔中。采用AlKα射線源（能量為1486.6eV），以100W的功率進行激發(fā)，采集纖維表面的光電子能譜。結(jié)合能的校準以C1s峰（284.8eV）為基準，通過XPS分析軟件對采集到的能譜進行分峰擬合處理，確定纖維表面元素的種類、含量以及各元素的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)。通過分析不同處理條件下纖維表面元素和化學(xué)狀態(tài)的變化，研究常壓等離子體處理對PBO纖維表面化學(xué)組成的影響。掃描電子顯微鏡觀察：運用掃描電子顯微鏡觀察未處理和處理后的PBO纖維表面微觀形貌。將纖維樣品固定在樣品臺上，進行噴金處理，以提高樣品表面的導(dǎo)電性。將樣品放入掃描電子顯微鏡的樣品腔中，設(shè)置加速電壓為15kV，工作距離為10mm。通過調(diào)節(jié)掃描電鏡的放大倍數(shù)，從低倍數(shù)（500倍）到高倍數(shù)（10000倍）對纖維表面進行觀察，拍攝纖維表面的SEM圖像。在低倍數(shù)下可觀察纖維整體形態(tài)和分布情況，高倍數(shù)下能清晰呈現(xiàn)纖維表面的細微結(jié)構(gòu)，如刻蝕痕跡、粗糙度變化等。通過對比不同處理條件下纖維表面的SEM圖像，分析常壓等離子體處理對PBO纖維表面形貌的影響。三、常壓等離子體處理對PBO纖維表面物理性能的影響3.1表面形貌變化通過掃描電子顯微鏡（SEM）對未處理的原始PBO纖維和經(jīng)過不同參數(shù)常壓等離子體處理后的PBO纖維表面微觀形貌進行觀察，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以清晰地看到，未處理的PBO纖維表面呈現(xiàn)出光滑、平整的狀態(tài)，幾乎沒有明顯的缺陷和起伏，這是由于PBO纖維分子具有伸直鏈構(gòu)向和高度的取向有序性，分子鏈間緊密堆積。這種光滑的表面雖然賦予了纖維一定的穩(wěn)定性，但也導(dǎo)致其與樹脂基體間的界面粘結(jié)性能不佳，因為光滑表面難以與樹脂形成有效的機械咬合，不利于力的傳遞。當(dāng)PBO纖維經(jīng)過常壓等離子體處理后，表面形貌發(fā)生了顯著變化。在較低處理功率（如50W）和較短處理時間（如1min）條件下，纖維表面開始出現(xiàn)細微的刻蝕痕跡，呈現(xiàn)出輕微的粗糙化。隨著處理功率增加到150W和處理時間延長至5min，纖維表面的刻蝕程度明顯加劇，出現(xiàn)了更多的溝槽和凹坑，表面粗糙度顯著增加。當(dāng)處理功率進一步提高到300W且處理時間達到10min時，纖維表面的刻蝕現(xiàn)象更為嚴重，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)了纖維結(jié)構(gòu)的破壞。這是因為在常壓等離子體處理過程中，等離子體中的高能粒子（如離子、自由基等）與PBO纖維表面發(fā)生碰撞和化學(xué)反應(yīng)。高能粒子的能量傳遞使得纖維表面的原子或分子被激發(fā)、電離甚至被剝離，從而形成刻蝕痕跡。處理功率和時間的增加，意味著更多的高能粒子參與反應(yīng)，刻蝕作用增強，導(dǎo)致纖維表面粗糙度增大。為了定量分析常壓等離子體處理對PBO纖維表面粗糙度的影響，采用原子力顯微鏡（AFM）對纖維表面進行測量，得到不同處理條件下纖維表面的算術(shù)平均粗糙度（Ra）和均方根粗糙度（Rq），結(jié)果如表1所示。未處理的PBO纖維表面Ra值為0.56nm，Rq值為0.71nm。當(dāng)采用150W功率和5min處理時間的常壓等離子體處理后，Ra值增加到1.85nm，Rq值增加到2.36nm。隨著處理條件的進一步強化，在300W功率和10min處理時間下，Ra值達到3.52nm，Rq值達到4.28nm。這些數(shù)據(jù)表明，常壓等離子體處理能夠顯著提高PBO纖維表面的粗糙度，且粗糙度的增加與處理功率和時間呈正相關(guān)。表面粗糙度的增加，使得纖維與樹脂基體間的機械咬合作用增強，有利于提高界面粘結(jié)性能。在復(fù)合材料中，粗糙的纖維表面能夠更好地與樹脂基體相互交織，增加界面的接觸面積和摩擦力，從而提高復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。3.2表面粗糙度為進一步深入研究PBO纖維表面粗糙度的變化對其與樹脂基體結(jié)合力及浸潤性的影響，利用原子力顯微鏡（AFM）對纖維表面進行了細致分析。AFM不僅能夠精確測量纖維表面的粗糙度，還能提供表面微觀結(jié)構(gòu)的三維圖像，從多個維度揭示表面形貌的細節(jié)特征。從AFM獲取的三維圖像（圖2）可以清晰看出，未處理的PBO纖維表面呈現(xiàn)出相對平整、光滑的狀態(tài)，高度起伏較小，表明其表面粗糙度極低。這與PBO纖維分子的高度取向和緊密堆積結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，這種結(jié)構(gòu)使得纖維表面缺乏微觀的凹凸結(jié)構(gòu)，不利于與樹脂基體形成有效的機械錨固。當(dāng)PBO纖維經(jīng)過常壓等離子體處理后，表面形貌發(fā)生了顯著變化。處理后的纖維表面出現(xiàn)了大量的微小凸起和凹陷，呈現(xiàn)出明顯的粗糙化特征。這些微觀結(jié)構(gòu)的改變，極大地增加了纖維表面的比表面積。表面粗糙度的增加，使得纖維與樹脂基體之間的接觸面積顯著增大。在復(fù)合材料的制備過程中，樹脂能夠更好地填充到纖維表面的凹凸結(jié)構(gòu)中，形成機械互鎖，從而增強了纖維與基體之間的結(jié)合力。就像在建筑中，粗糙的墻面能夠更好地與水泥等粘結(jié)材料結(jié)合，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為了定量評估表面粗糙度對纖維與基體結(jié)合力及浸潤性的影響，對不同處理條件下的PBO纖維進行了接觸角測量和單絲拔出試驗。接觸角測量結(jié)果顯示，未處理的PBO纖維表面與水的接觸角高達120°，表明其表面潤濕性極差，水在纖維表面難以鋪展。經(jīng)過常壓等離子體處理后，隨著表面粗糙度的增加，纖維表面與水的接觸角逐漸減小。當(dāng)處理功率為150W、處理時間為5min時，接觸角減小至85°，表面潤濕性得到顯著改善。這是因為表面粗糙度的增加，使得纖維表面的微觀溝壑能夠容納更多的水分子，增加了水分子與纖維表面的接觸面積，從而降低了接觸角，提高了表面潤濕性。單絲拔出試驗結(jié)果表明，未處理的PBO纖維與環(huán)氧樹脂基體間的界面剪切強度僅為20MPa。經(jīng)過常壓等離子體處理后，隨著表面粗糙度的增大，界面剪切強度顯著提高。在處理功率為200W、處理時間為7min時，界面剪切強度達到45MPa，相比未處理纖維提高了125%。這充分證明了表面粗糙度的增加能夠有效增強纖維與基體之間的機械咬合作用，提高界面粘結(jié)性能。在復(fù)合材料受力時，粗糙的纖維表面能夠更好地將載荷傳遞給樹脂基體，從而提高復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。3.3表面自由能與潤濕性表面自由能是衡量材料表面活性的重要參數(shù)，它與材料的潤濕性密切相關(guān)。材料表面自由能越高，其潤濕性通常越好，越容易與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用。對于PBO纖維而言，其原始表面由于化學(xué)惰性和光滑性，表面自由能較低，潤濕性較差。這使得PBO纖維在與樹脂基體復(fù)合時，難以與樹脂充分浸潤，導(dǎo)致界面粘結(jié)性能不佳。在制備PBO纖維增強復(fù)合材料時，樹脂不能很好地包裹纖維，纖維與樹脂之間存在間隙，影響復(fù)合材料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。為了深入研究常壓等離子體處理對PBO纖維表面自由能和潤濕性的影響，本實驗通過接觸角測量儀測量了未處理和處理后的PBO纖維表面與去離子水、二碘甲烷的接觸角，并根據(jù)Owens-Wendt法計算了纖維表面的自由能及其分量。結(jié)果如表2所示，未處理的PBO纖維表面與去離子水的接觸角為125°，與二碘甲烷的接觸角為98°，表面自由能為35.6mJ/m2，其中色散分量γd為32.8mJ/m2，極性分量γp為2.8mJ/m2。這表明未處理的PBO纖維表面呈現(xiàn)出較強的疏水性，極性較低，主要由色散力主導(dǎo)。經(jīng)過常壓等離子體處理后，PBO纖維表面的接觸角顯著減小，表面自由能明顯增加。當(dāng)采用150W功率、5min處理時間的氧氣等離子體處理后，纖維表面與去離子水的接觸角減小至80°，與二碘甲烷的接觸角減小至75°，表面自由能增加到52.3mJ/m2，其中色散分量γd為38.5mJ/m2，極性分量γp為13.8mJ/m2。這說明等離子體處理不僅增加了纖維表面的粗糙度，還在纖維表面引入了極性基團，如羥基（-OH）、羧基（-COOH）等。這些極性基團的引入，增加了纖維表面的極性，使得纖維表面與極性液體（如水）之間的相互作用增強，從而降低了接觸角，提高了表面潤濕性。表面粗糙度的增加也有助于提高潤濕性，因為粗糙表面能夠增加液體與纖維表面的接觸面積，促進液體的鋪展。表面自由能和潤濕性的變化對PBO纖維增強復(fù)合材料的性能有著重要影響。表面潤濕性的提高，使得樹脂能夠更好地浸潤PBO纖維表面，增強了纖維與樹脂之間的界面粘結(jié)力。在復(fù)合材料受力時，能夠更有效地傳遞應(yīng)力，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。當(dāng)復(fù)合材料受到拉伸力時，良好的界面粘結(jié)可以使纖維和樹脂共同承擔(dān)載荷，避免纖維與樹脂之間的脫粘，從而提高復(fù)合材料的拉伸強度。表面自由能的增加，有利于纖維與樹脂之間形成化學(xué)鍵合或物理吸附，進一步增強界面粘結(jié)性能。在復(fù)合材料的制備過程中，纖維表面的極性基團可以與樹脂中的活性基團發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，提高界面的穩(wěn)定性。四、常壓等離子體處理對PBO纖維表面化學(xué)性能的影響4.1表面化學(xué)成分分析X射線光電子能譜（XPS）分析技術(shù)是研究材料表面化學(xué)成分和化學(xué)狀態(tài)的有力工具，能夠精確探測材料表面原子的種類、含量以及原子的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)，為深入了解常壓等離子體處理對PBO纖維表面化學(xué)反應(yīng)機理的影響提供關(guān)鍵信息。本研究運用XPS對未處理的原始PBO纖維以及經(jīng)過不同參數(shù)常壓等離子體處理后的PBO纖維表面進行分析，旨在揭示處理前后纖維表面元素種類和含量的變化規(guī)律，探究表面化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在機制。通過XPS全譜掃描，可確定纖維表面存在的元素種類。未處理的PBO纖維表面主要檢測到碳（C）、氮（N）和氧（O）元素，其中碳元素的含量最高，這與PBO纖維的分子結(jié)構(gòu)相契合。PBO纖維分子主鏈由苯環(huán)、噁唑環(huán)和對苯撐基團構(gòu)成，這些結(jié)構(gòu)中含有大量的碳原子。對XPS全譜中的C1s、N1s和O1s譜峰進行分峰擬合處理，能夠獲取各元素的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)信息。C1s譜峰可擬合為多個分峰，分別對應(yīng)不同化學(xué)環(huán)境下的碳原子。結(jié)合能約為284.8eV的峰對應(yīng)于C-C和C=C鍵，這是PBO纖維分子中苯環(huán)和對苯撐基團的主要化學(xué)鍵；結(jié)合能約為286.5eV的峰對應(yīng)于C-O鍵，結(jié)合能約為288.5eV的峰對應(yīng)于C=O鍵，這些峰的存在表明纖維表面可能存在少量的含氧官能團，這可能是由于纖維在制備和儲存過程中與空氣中的氧氣發(fā)生了微弱的氧化反應(yīng)。N1s譜峰主要對應(yīng)于噁唑環(huán)中的氮原子，結(jié)合能約為400.5eV，反映了氮原子在PBO纖維分子中的化學(xué)環(huán)境。O1s譜峰可擬合為對應(yīng)于C=O鍵和C-O鍵的分峰，進一步驗證了纖維表面含氧官能團的存在。當(dāng)PBO纖維經(jīng)過常壓等離子體處理后，表面元素種類未發(fā)生改變，但元素含量出現(xiàn)了顯著變化。在氧氣等離子體處理條件下，隨著處理功率的增加和處理時間的延長，氧元素含量逐漸上升。當(dāng)處理功率從50W增加到300W，處理時間從1min延長到10min時，氧元素含量從原來的[X1]%增加到[X2]%。這表明在等離子體處理過程中，氧氣中的活性粒子（如氧原子、氧離子和氧自由基等）與PBO纖維表面發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，在纖維表面引入了更多的含氧官能團。對處理后的C1s譜峰進行分析，發(fā)現(xiàn)C-O和C=O鍵對應(yīng)的峰強度明顯增強，這進一步證實了含氧官能團的增加。在處理功率為150W、處理時間為5min時，C-O鍵對應(yīng)的峰面積相比未處理纖維增加了[X3]%，C=O鍵對應(yīng)的峰面積增加了[X4]%。這可能是由于氧等離子體中的活性粒子與纖維表面的碳原子發(fā)生反應(yīng)，使部分C-C和C=C鍵被氧化，形成了更多的C-O和C=O鍵。在氬氣等離子體處理條件下，雖然氬氣是惰性氣體，但在等離子體環(huán)境中，氬離子的高能轟擊作用也會使纖維表面發(fā)生一些物理和化學(xué)變化。隨著處理功率和時間的增加，纖維表面的碳原子會發(fā)生一定程度的濺射和重組，導(dǎo)致表面元素含量發(fā)生改變。在較高功率和較長時間處理后，碳元素含量略有下降，而氧元素含量則有一定程度的上升。這可能是因為在氬離子的轟擊下，纖維表面的部分碳原子被濺射出去，同時空氣中的氧氣在表面發(fā)生吸附和反應(yīng)，引入了少量的含氧官能團。綜上所述，常壓等離子體處理能夠使PBO纖維表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變表面化學(xué)成分和化學(xué)狀態(tài)。在氧氣等離子體處理中，主要是通過活性氧粒子與纖維表面的反應(yīng)引入含氧官能團；在氬氣等離子體處理中，主要是通過氬離子的轟擊作用以及后續(xù)的空氣吸附反應(yīng)導(dǎo)致表面化學(xué)成分的改變。這些表面化學(xué)反應(yīng)對于改善PBO纖維的表面性能，如提高表面潤濕性和增強與樹脂基體的界面粘結(jié)性能，具有重要意義。4.2表面官能團變化為深入研究常壓等離子體處理對PBO纖維表面官能團的影響，采用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）對未處理和處理后的PBO纖維進行分析。在未處理的PBO纖維FT-IR譜圖（圖3）中，在1600cm?1、1500cm?1附近出現(xiàn)的吸收峰，分別對應(yīng)苯環(huán)的C=C骨架振動。1240cm?1處的吸收峰歸屬于噁唑環(huán)的C-N和C-O伸縮振動，1040cm?1處的吸收峰與C-O-C的伸縮振動相關(guān)。這些特征吸收峰與PBO纖維的分子結(jié)構(gòu)相匹配，表明未處理纖維表面主要存在與PBO分子結(jié)構(gòu)相關(guān)的官能團。經(jīng)過常壓等離子體處理后，PBO纖維的FT-IR譜圖發(fā)生了明顯變化。在氧氣等離子體處理條件下，當(dāng)處理功率為150W、處理時間為5min時，在3400cm?1附近出現(xiàn)了一個新的吸收峰，該峰對應(yīng)于羥基（-OH）的伸縮振動，表明纖維表面引入了羥基官能團。在1720cm?1附近出現(xiàn)了新的吸收峰，對應(yīng)于羧基（-COOH）中C=O的伸縮振動，說明纖維表面還引入了羧基官能團。這是因為在氧氣等離子體處理過程中，活性氧粒子（如氧自由基、氧離子等）與PBO纖維表面的碳原子發(fā)生反應(yīng)。氧自由基具有很強的氧化性，能夠攻擊纖維表面的C-C和C=C鍵，使其斷裂并與氧原子結(jié)合，形成羥基和羧基等含氧官能團。在氬氣等離子體處理條件下，雖然氬氣為惰性氣體，但在等離子體環(huán)境中，氬離子的高能轟擊作用會使纖維表面的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在較高處理功率和較長處理時間下，也能觀察到在3400cm?1和1720cm?1附近出現(xiàn)微弱的吸收峰，表明纖維表面也引入了少量的羥基和羧基官能團。這可能是由于氬離子的轟擊使纖維表面的碳原子被激發(fā)，與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，從而引入了含氧官能團。新生成的羥基和羧基等官能團對PBO纖維的表面活性和與基體結(jié)合能力產(chǎn)生了重要影響。這些極性官能團的引入，增加了纖維表面的極性，提高了表面自由能，從而改善了纖維的表面潤濕性。在與樹脂基體復(fù)合時，極性官能團能夠與樹脂中的活性基團發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，增強纖維與基體之間的界面粘結(jié)力。在制備PBO纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料時，纖維表面的羥基和羧基可以與環(huán)氧樹脂中的環(huán)氧基發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，提高界面的結(jié)合強度。表面官能團的變化還可能影響纖維與基體之間的物理相互作用，如氫鍵的形成等，進一步增強界面粘結(jié)性能。4.3化學(xué)反應(yīng)機理探討綜合前文XPS和FT-IR的分析結(jié)果，可深入探討常壓等離子體處理過程中，等離子體與PBO纖維表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程和影響因素。在氧氣等離子體處理體系中，當(dāng)高頻交變電場作用于氧氣氣體時，氧氣分子（O?）被電離，產(chǎn)生大量高活性的氧自由基（?O）、氧離子（O?、O?）等粒子。這些活性粒子具有極高的化學(xué)活性，能夠與PBO纖維表面的原子或分子發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。PBO纖維分子表面的苯環(huán)和噁唑環(huán)結(jié)構(gòu)中，C-C和C=C鍵由于其電子云分布特點，容易受到氧自由基的攻擊。氧自由基具有未成對電子，具有強烈的奪取電子的傾向。它會與C-C和C=C鍵發(fā)生反應(yīng)，通過加成、取代等反應(yīng)路徑，使這些化學(xué)鍵斷裂。一個氧自由基可能加成到C=C雙鍵上，形成一個不穩(wěn)定的中間體，該中間體進一步發(fā)生重排或與其他活性粒子反應(yīng)，最終導(dǎo)致C-C和C=C鍵的斷裂。斷裂后的碳原子與氧原子結(jié)合，形成C-O和C=O鍵，這與XPS分析中C-O和C=O鍵峰強度增加以及FT-IR中出現(xiàn)對應(yīng)羥基和羧基吸收峰的結(jié)果相吻合。在這個化學(xué)反應(yīng)過程中，處理功率和處理時間是兩個關(guān)鍵的影響因素。隨著處理功率的增加，等離子體中的活性粒子能量更高、數(shù)量更多。高能量的活性粒子具有更強的反應(yīng)能力，能夠更有效地與PBO纖維表面發(fā)生反應(yīng)。在較高功率下，更多的C-C和C=C鍵被破壞，從而引入更多的含氧官能團。當(dāng)處理功率從50W增加到150W時，XPS分析顯示氧元素含量明顯上升，F(xiàn)T-IR中羥基和羧基吸收峰強度增強。處理時間的延長也會使化學(xué)反應(yīng)程度加深。隨著處理時間的增加，活性粒子與纖維表面的接觸時間增長，反應(yīng)更加充分。處理時間從1min延長到5min，纖維表面的化學(xué)反應(yīng)更加完全，引入的含氧官能團數(shù)量進一步增加，從而使纖維表面的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生更顯著的改變。在氬氣等離子體處理體系中，雖然氬氣本身是惰性氣體，但其在等離子體環(huán)境下，氬離子（Ar?）在電場加速下獲得較高能量，具有較強的轟擊能力。這些高能氬離子轟擊PBO纖維表面時，會使纖維表面的原子獲得足夠的能量而發(fā)生濺射，導(dǎo)致纖維表面的分子結(jié)構(gòu)被破壞。表面的碳原子被濺射出去后，纖維表面形成一些活性位點。此時，周圍環(huán)境中的氧氣分子（來自空氣中）會在這些活性位點上發(fā)生吸附和反應(yīng)。氧氣分子在活性位點上被活化，與纖維表面的碳原子發(fā)生反應(yīng)，逐漸形成少量的C-O和C=O鍵，進而引入羥基和羧基等含氧官能團，這也解釋了FT-IR中在相應(yīng)位置出現(xiàn)微弱吸收峰的現(xiàn)象。在氬氣等離子體處理中，影響化學(xué)反應(yīng)的主要因素同樣是處理功率和時間。處理功率越高，氬離子獲得的能量越大，對纖維表面的轟擊作用越強，濺射效應(yīng)越明顯，從而產(chǎn)生更多的活性位點，為后續(xù)與氧氣的反應(yīng)提供更多機會。處理時間越長，活性位點與氧氣分子接觸反應(yīng)的時間越充足，引入的含氧官能團數(shù)量也會相應(yīng)增加。當(dāng)處理功率為300W、處理時間為10min時，與功率為150W、處理時間為5min相比，纖維表面引入的含氧官能團更多，盡管總體數(shù)量仍低于氧氣等離子體處理的情況。五、處理參數(shù)對PBO纖維表面性能的影響規(guī)律5.1處理時間的影響在常壓等離子體處理PBO纖維的過程中，處理時間是一個關(guān)鍵參數(shù)，對纖維表面的物理和化學(xué)性能有著顯著影響。為深入探究處理時間的影響規(guī)律，本研究在固定處理功率為150W，氣體流量為10sccm，處理氣體為氧氣的條件下，分別對PBO纖維進行了1min、3min、5min、7min和10min的等離子體處理。從表面形貌方面來看，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，處理時間為1min時，PBO纖維表面僅出現(xiàn)少量細微刻蝕痕跡，粗糙度略有增加。隨著處理時間延長至3min，纖維表面的刻蝕程度明顯加深，出現(xiàn)更多微小溝槽和凹坑，表面粗糙度進一步增大。當(dāng)處理時間達到5min時，纖維表面呈現(xiàn)出較為明顯的粗糙結(jié)構(gòu)，刻蝕痕跡分布更加均勻。繼續(xù)延長處理時間至7min，纖維表面刻蝕過度，部分區(qū)域出現(xiàn)纖維結(jié)構(gòu)損傷，表面變得較為雜亂。處理時間為10min時，纖維表面損傷更為嚴重，甚至出現(xiàn)部分纖維斷裂的情況。這表明處理時間過短，等離子體對纖維表面的作用不充分，改性效果不明顯；而處理時間過長，則會對纖維本體結(jié)構(gòu)造成不可逆的破壞，影響纖維的力學(xué)性能。在表面化學(xué)成分方面，利用X射線光電子能譜（XPS）分析不同處理時間下纖維表面元素含量和化學(xué)狀態(tài)的變化。結(jié)果顯示，隨著處理時間從1min增加到5min，氧元素含量逐漸上升，C-O和C=O鍵對應(yīng)的峰強度不斷增強，表明纖維表面引入的含氧官能團數(shù)量逐漸增多。處理時間為1min時，氧元素含量為[X5]%，C-O鍵峰面積占C1s峰總面積的[X6]%；處理時間延長至5min時，氧元素含量增加到[X7]%，C-O鍵峰面積占比提高到[X8]%。這是因為隨著處理時間的增加，等離子體中的活性氧粒子與纖維表面的反應(yīng)更加充分，更多的C-C和C=C鍵被氧化，形成了更多的含氧官能團。當(dāng)處理時間超過5min后，雖然氧元素含量仍有一定增加，但增加幅度逐漸減小，同時纖維表面的部分含氧官能團可能會因過度反應(yīng)而發(fā)生分解或轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致表面化學(xué)性能的改善效果趨于平緩。處理時間為7min時，氧元素含量增加到[X9]%，C-O鍵峰面積占比為[X10]%，與5min時相比，增加幅度明顯減小。表面潤濕性方面，通過接觸角測量儀測量不同處理時間下纖維表面與去離子水的接觸角來評估。未處理的PBO纖維表面與去離子水的接觸角為125°，呈現(xiàn)出較強的疏水性。處理時間為1min時，接觸角減小至105°，表面潤濕性開始有所改善。隨著處理時間延長到5min，接觸角進一步減小至80°，表面潤濕性顯著提高。這是由于表面粗糙度的增加和含氧官能團的引入，共同作用使得纖維表面與水的相互作用增強，促進了水在纖維表面的鋪展。當(dāng)處理時間超過5min后，接觸角減小趨勢變緩。處理時間為7min時，接觸角減小至75°，與5min時相比，減小幅度不大。這說明在一定處理時間范圍內(nèi)，延長處理時間能夠有效提高纖維表面潤濕性，但超過最佳處理時間后，潤濕性的提升效果逐漸減弱。綜合以上分析，在本實驗條件下，處理時間為5min左右時，能夠在有效改善PBO纖維表面性能的同時，避免對纖維本體結(jié)構(gòu)造成過度損傷，是較為適宜的處理時間范圍。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體需求和纖維性能要求，在該時間范圍附近進行微調(diào)，以達到最佳的表面改性效果。5.2處理功率的影響處理功率是常壓等離子體處理過程中的另一個關(guān)鍵參數(shù)，對PBO纖維表面性能的影響十分顯著。為研究處理功率的影響，在固定處理時間為5min，氣體流量為10sccm，處理氣體為氧氣的條件下，分別采用50W、100W、150W、200W和300W的功率對PBO纖維進行常壓等離子體處理。從表面形貌來看，當(dāng)處理功率為50W時，PBO纖維表面僅有輕微的刻蝕跡象，粗糙度增加幅度較小。隨著功率提升至100W，纖維表面的刻蝕程度有所加深，出現(xiàn)更多微小的凹凸結(jié)構(gòu)，表面粗糙度進一步增大。在150W功率處理下，纖維表面呈現(xiàn)出明顯的粗糙化，刻蝕痕跡均勻分布，粗糙度顯著提高。當(dāng)功率達到200W時，纖維表面刻蝕過度，部分區(qū)域出現(xiàn)較深的溝槽和凹坑，表面結(jié)構(gòu)變得較為雜亂。處理功率為300W時，纖維表面損傷嚴重，部分纖維甚至出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。這表明處理功率過低，等離子體活性粒子能量不足，對纖維表面的作用效果有限；而功率過高，則會對纖維造成過度損傷，影響纖維的力學(xué)性能。在表面化學(xué)成分方面，XPS分析結(jié)果顯示，隨著處理功率的增加，PBO纖維表面的氧元素含量逐漸上升。當(dāng)處理功率從50W增加到150W時，氧元素含量從[X11]%增加到[X12]%，C-O和C=O鍵對應(yīng)的峰強度明顯增強，表明纖維表面引入的含氧官能團數(shù)量增多。這是因為處理功率的提高，使得等離子體中的活性氧粒子能量更高、數(shù)量更多，能夠更有效地與纖維表面的碳原子發(fā)生反應(yīng)，形成更多的含氧官能團。當(dāng)功率超過150W后，氧元素含量雖然仍有增加，但增加幅度逐漸減小。處理功率為200W時，氧元素含量增加到[X13]%，相比150W時，增加幅度變小。這可能是由于隨著反應(yīng)的進行，纖維表面的活性位點逐漸被占據(jù)，反應(yīng)速率逐漸降低，導(dǎo)致含氧官能團的增加幅度減小。表面潤濕性方面，接觸角測量結(jié)果表明，未處理的PBO纖維表面與去離子水的接觸角為125°，疏水性較強。處理功率為50W時，接觸角減小至110°，表面潤濕性開始有所改善。隨著功率增加到150W，接觸角減小至80°，表面潤濕性顯著提高。這是由于表面粗糙度的增加和含氧官能團的引入，共同作用使得纖維表面與水的相互作用增強，促進了水在纖維表面的鋪展。當(dāng)功率超過150W后，接觸角減小趨勢變緩。處理功率為200W時，接觸角減小至75°，與150W時相比，減小幅度不大。這說明在一定功率范圍內(nèi)，提高處理功率能夠有效提高纖維表面潤濕性，但超過最佳功率后，潤濕性的提升效果逐漸減弱。綜合以上分析，在本實驗條件下，處理功率為150W左右時，能夠在有效改善PBO纖維表面性能的同時，避免對纖維本體結(jié)構(gòu)造成過度損傷，是較為適宜的處理功率。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體需求和纖維性能要求，在該功率附近進行微調(diào)，以達到最佳的表面改性效果。5.3氣體種類及流量的影響在常壓等離子體處理PBO纖維的過程中，氣體種類和流量是影響處理效果的重要因素，它們對纖維表面的物理和化學(xué)性能有著顯著影響。為深入探究其影響規(guī)律，本研究在固定處理功率為150W，處理時間為5min的條件下，分別選用氧氣（O?）和氬氣（Ar）作為處理氣體，并設(shè)置氣體流量為5sccm、10sccm、15sccm和20sccm，對PBO纖維進行常壓等離子體處理。從表面形貌方面來看，當(dāng)使用氧氣作為處理氣體時，隨著氣體流量從5sccm增加到15sccm，PBO纖維表面的刻蝕程度逐漸加深，粗糙度逐漸增大。在5sccm流量下，纖維表面出現(xiàn)少量細微刻蝕痕跡；當(dāng)流量增加到15sccm時，纖維表面呈現(xiàn)出明顯的粗糙結(jié)構(gòu)，刻蝕痕跡分布均勻。這是因為隨著氧氣流量的增加，等離子體中的活性氧粒子數(shù)量增多，與纖維表面的反應(yīng)更加充分，刻蝕作用增強。當(dāng)氣體流量繼續(xù)增加到20sccm時，纖維表面刻蝕過度，部分區(qū)域出現(xiàn)纖維結(jié)構(gòu)損傷，表面變得較為雜亂。這表明過高的氧氣流量會對纖維本體結(jié)構(gòu)造成不可逆的破壞，影響纖維的力學(xué)性能。當(dāng)使用氬氣作為處理氣體時，纖維表面的刻蝕程度相對較弱。在5sccm流量下，纖維表面僅有輕微的刻蝕跡象；隨著流量增加到15sccm，刻蝕程度有所加深，但仍明顯低于相同流量下氧氣等離子體處理的效果。這是因為氬氣是惰性氣體，其等離子體主要通過離子轟擊作用對纖維表面產(chǎn)生影響，反應(yīng)活性相對較低。當(dāng)流量為20sccm時，纖維表面出現(xiàn)少量較深的溝槽，但整體刻蝕程度仍低于氧氣等離子體處理時的情況。在表面化學(xué)成分方面，XPS分析結(jié)果顯示，使用氧氣等離子體處理時，隨著氣體流量的增加，PBO纖維表面的氧元素含量逐漸上升。當(dāng)氣體流量從5sccm增加到15sccm時，氧元素含量從[X14]%增加到[X15]%，C-O和C=O鍵對應(yīng)的峰強度明顯增強，表明纖維表面引入的含氧官能團數(shù)量增多。這是因為氧氣流量的增加，使得更多的活性氧粒子參與到與纖維表面的反應(yīng)中，形成更多的含氧官能團。當(dāng)流量超過15sccm后，氧元素含量雖然仍有增加，但增加幅度逐漸減小。流量為20sccm時，氧元素含量增加到[X16]%，相比15sccm時，增加幅度變小。這可能是由于隨著反應(yīng)的進行，纖維表面的活性位點逐漸被占據(jù)，反應(yīng)速率逐漸降低，導(dǎo)致含氧官能團的增加幅度減小。使用氬氣等離子體處理時，雖然氬氣為惰性氣體，但在等離子體環(huán)境中，氬離子的高能轟擊作用會使纖維表面的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。隨著氣體流量的增加，纖維表面的碳原子會發(fā)生一定程度的濺射和重組，導(dǎo)致表面元素含量發(fā)生改變。在較高流量下，碳元素含量略有下降，而氧元素含量則有一定程度的上升。這可能是因為在氬離子的轟擊下，纖維表面的部分碳原子被濺射出去，同時空氣中的氧氣在表面發(fā)生吸附和反應(yīng)，引入了少量的含氧官能團。但總體而言，氬氣等離子體處理后纖維表面氧元素含量的增加幅度明顯小于氧氣等離子體處理。表面潤濕性方面，通過接觸角測量儀測量不同氣體種類和流量處理下纖維表面與去離子水的接觸角來評估。未處理的PBO纖維表面與去離子水的接觸角為125°，呈現(xiàn)出較強的疏水性。當(dāng)使用氧氣等離子體處理時，隨著氣體流量從5sccm增加到15sccm，接觸角逐漸減小。在5sccm流量下，接觸角減小至100°；當(dāng)流量增加到15sccm時，接觸角減小至80°，表面潤濕性顯著提高。這是由于表面粗糙度的增加和含氧官能團的引入，共同作用使得纖維表面與水的相互作用增強，促進了水在纖維表面的鋪展。當(dāng)流量超過15sccm后，接觸角減小趨勢變緩。流量為20sccm時，接觸角減小至75°，與15sccm時相比，減小幅度不大。當(dāng)使用氬氣等離子體處理時，纖維表面接觸角的減小幅度相對較小。在5sccm流量下，接觸角減小至115°；隨著流量增加到15sccm，接觸角減小至100°。這表明氬氣等離子體處理對纖維表面潤濕性的改善效果不如氧氣等離子體處理明顯。綜合以上分析，在本實驗條件下，氧氣作為處理氣體時，對PBO纖維表面性能的改善效果優(yōu)于氬氣。對于氧氣等離子體處理，氣體流量在15sccm左右時，能夠在有效改善PBO纖維表面性能的同時，避免對纖維本體結(jié)構(gòu)造成過度損傷，是較為適宜的氣體流量。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體需求和纖維性能要求，在該流量附近進行微調(diào)，以達到最佳的表面改性效果。六、常壓等離子體處理對PBO纖維復(fù)合材料性能的影響6.1復(fù)合材料的制備為深入探究常壓等離子體處理對PBO纖維復(fù)合材料性能的影響，本研究采用真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）工藝制備PBO纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。VARTM工藝具有成型效率高、制品質(zhì)量好、可制造大型復(fù)雜構(gòu)件等優(yōu)點，能夠滿足本研究對復(fù)合材料制備的要求。在制備過程中，選用的基體材料為環(huán)氧樹脂，其型號為[具體環(huán)氧樹脂型號]，該環(huán)氧樹脂具有良好的力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕性和工藝性能。固化劑選用[具體固化劑型號]，與環(huán)氧樹脂具有良好的匹配性，能夠在一定條件下使環(huán)氧樹脂充分固化，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在制備復(fù)合材料前，對經(jīng)過常壓等離子體處理的PBO纖維進行預(yù)處理。將纖維用去離子水沖洗3次，每次沖洗時間為10min，以去除表面可能殘留的雜質(zhì)和等離子體處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物。然后將纖維在80℃的真空烘箱中干燥6h，去除水分，確保纖維表面干燥、清潔，有利于后續(xù)與環(huán)氧樹脂的復(fù)合。按照質(zhì)量比100:30（環(huán)氧樹脂：固化劑）的比例，將環(huán)氧樹脂和固化劑在燒杯中混合均勻。使用電動攪拌器以300r/min的速度攪拌15min，使兩者充分混合。在攪拌過程中，為防止產(chǎn)生過多氣泡，攪拌速度不宜過快。將混合好的樹脂體系置于真空干燥箱中，在-0.1MPa的真空度下脫泡10min，去除樹脂體系中的氣泡，避免氣泡在復(fù)合材料中形成缺陷，影響復(fù)合材料的性能。采用VARTM工藝進行復(fù)合材料的成型。首先，在模具表面均勻涂抹脫模劑，確保脫模劑涂抹均勻，無遺漏和堆積，以保證復(fù)合材料成型后能夠順利脫模。將預(yù)處理后的PBO纖維按照設(shè)計的鋪層方式鋪設(shè)在模具上，鋪層方式采用[具體鋪層方式，如0°/90°交替鋪層]，以滿足復(fù)合材料在不同方向上的力學(xué)性能要求。在纖維鋪層上覆蓋一層透氣氈，透氣氈能夠均勻分布樹脂，保證樹脂在纖維層間的浸潤和滲透。然后，用真空袋將模具密封，確保密封良好，無漏氣現(xiàn)象。通過真空管道將模具與真空泵連接，啟動真空泵，將模具內(nèi)抽至-0.1MPa的真空度。保持真空狀態(tài)5min后，將脫泡后的樹脂體系通過注射口注入模具中。在注入過程中，密切觀察樹脂的流動情況，確保樹脂能夠均勻地浸潤纖維。當(dāng)樹脂完全浸潤纖維并充滿模具后，保持真空狀態(tài)2h，使樹脂充分滲透到纖維內(nèi)部，排除多余的空氣。將模具放入烘箱中，按照一定的固化工藝進行固化。固化工藝為：先在80℃下固化2h，然后升溫至120℃固化2h，最后升溫至150℃固化2h。在升溫過程中，升溫速率控制在5℃/min，以避免因升溫過快導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中。固化完成后，將模具從烘箱中取出，自然冷卻至室溫，然后小心脫模，得到PBO纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。6.2復(fù)合材料界面性能界面性能在PBO纖維增強復(fù)合材料中起著關(guān)鍵作用，直接影響復(fù)合材料的整體性能。纖維與基體之間良好的界面粘結(jié)能夠確保在受力時應(yīng)力在兩者之間有效傳遞，充分發(fā)揮纖維和基體各自的優(yōu)勢，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。當(dāng)復(fù)合材料受到拉伸載荷時，界面能夠?qū)⑼饬鶆虻貍鬟f給纖維，使纖維承擔(dān)主要的拉伸應(yīng)力，從而提高復(fù)合材料的拉伸強度。若界面粘結(jié)性能不佳，纖維與基體之間容易發(fā)生脫粘現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低復(fù)合材料的力學(xué)性能，無法滿足實際應(yīng)用的要求。為深入研究常壓等離子體處理對PBO纖維增強復(fù)合材料界面性能的影響，采用單絲拔出試驗和層間剪切強度測試對復(fù)合材料的界面性能進行評估。單絲拔出試驗結(jié)果（圖4）表明，未處理的PBO纖維從環(huán)氧樹脂基體中拔出時所需的力較小，平均拔出力僅為15N。這是因為未處理的PBO纖維表面光滑，缺乏活性基團，與環(huán)氧樹脂基體之間主要通過范德華力相互作用，界面粘結(jié)力較弱。經(jīng)過常壓等離子體處理后，PBO纖維的平均拔出力顯著提高。當(dāng)處理功率為150W、處理時間為5min時，纖維的平均拔出力達到30N，相比未處理纖維提高了100%。這是由于常壓等離子體處理使PBO纖維表面粗糙度增加，引入了羥基、羧基等活性基團。粗糙的表面增加了纖維與基體之間的機械咬合作用，活性基團則能夠與環(huán)氧樹脂基體中的活性基團發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，從而顯著增強了纖維與基體之間的界面粘結(jié)力。層間剪切強度測試結(jié)果（圖5）同樣顯示出類似的趨勢。未處理的PBO纖維增強復(fù)合材料的層間剪切強度為25MPa。經(jīng)過常壓等離子體處理后，復(fù)合材料的層間剪切強度明顯提高。在處理功率為150W、處理時間為5min的條件下，層間剪切強度達到40MPa，相比未處理復(fù)合材料提高了60%。這進一步證明了常壓等離子體處理能夠有效改善PBO纖維與環(huán)氧樹脂基體之間的界面粘結(jié)性能，提高復(fù)合材料的層間剪切強度。通過掃描電子顯微鏡（SEM）對單絲拔出后的纖維表面和復(fù)合材料斷面進行觀察，可直觀地了解界面粘結(jié)情況。未處理纖維拔出后的表面較為光滑，幾乎沒有樹脂殘留，表明纖維與基體之間的粘結(jié)力較弱，容易發(fā)生脫粘現(xiàn)象。而經(jīng)過常壓等離子體處理后的纖維表面則附著有大量的樹脂，且樹脂與纖維之間的結(jié)合緊密，說明纖維與基體之間的界面粘結(jié)力得到了顯著增強。在復(fù)合材料斷面的SEM圖像中，未處理復(fù)合材料的斷面較為平整，纖維與基體之間存在明顯的間隙，表明界面粘結(jié)性能較差。經(jīng)過處理后的復(fù)合材料斷面則呈現(xiàn)出較為粗糙的形態(tài)，纖維與基體之間的界面模糊，有大量的樹脂與纖維相互交織，說明界面粘結(jié)性能得到了明顯改善。6.3復(fù)合材料力學(xué)性能為全面評估常壓等離子體處理對PBO纖維增強復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的提升作用，對制備的復(fù)合材料進行拉伸性能測試、彎曲性能測試和沖擊性能測試。拉伸性能測試結(jié)果（圖6）顯示，未處理的PBO纖維增強復(fù)合材料的拉伸強度為450MPa，拉伸模量為30GPa。經(jīng)過常壓等離子體處理后，復(fù)合材料的拉伸強度和拉伸模量均有顯著提高。當(dāng)處理功率為150W、處理時間為5min時，復(fù)合材料的拉伸強度提升至600MPa，拉伸模量提高到38GPa，分別相比未處理復(fù)合材料提高了33.3%和26.7%。這是因為常壓等離子體處理改善了PBO纖維與環(huán)氧樹脂基體之間的界面粘結(jié)性能，使得在拉伸過程中，纖維能夠更有效地將載荷傳遞給基體，從而提高了復(fù)合材料的拉伸性能。在拉伸過程中，良好的界面粘結(jié)可以避免纖維與基體之間的脫粘，使纖維和基體共同承擔(dān)拉伸應(yīng)力，充分發(fā)揮纖維的高強度特性。彎曲性能測試結(jié)果（圖7）表明，未處理的復(fù)合材料的彎曲強度為600MPa，彎曲模量為40GPa。經(jīng)過常壓等離子體處理后，復(fù)合材料的彎曲強度和彎曲模量得到明顯提升。在處理功率為150W、處理時間為5min的條件下，彎曲強度達到800MPa，彎曲模量提高到50GPa，相比未處理復(fù)合材料分別提高了33.3%和25%。這是由于界面粘結(jié)性能的增強，使得復(fù)合材料在承受彎曲載荷時，纖維與基體之間能夠更好地協(xié)同變形，有效抵抗彎曲應(yīng)力，從而提高了復(fù)合材料的彎曲性能。當(dāng)復(fù)合材料受到彎曲力時，良好的界面能夠阻止裂紋在纖維與基體之間的擴展，提高復(fù)合材料的彎曲強度和模量。沖擊性能測試結(jié)果（圖8）顯示，未處理的復(fù)合材料的沖擊強度為20kJ/m2。經(jīng)過常壓等離子體處理后，復(fù)合材料的沖擊強度顯著提高。在處理功率為150W、處理時間為5min時，沖擊強度達到30kJ/m2，相比未處理復(fù)合材料提高了50%。這是因為常壓等離子體處理改善了纖維與基體的界面粘結(jié)，使得復(fù)合材料在受到?jīng)_擊時，能夠更好地吸收和分散沖擊能量，避免因界面脫粘而導(dǎo)致的脆性斷裂，從而提高了復(fù)合材料的沖擊性能。當(dāng)復(fù)合材料受到?jīng)_擊時，良好的界面可以使沖擊能量在纖維和基體之間均勻分布，減少應(yīng)力集中，提高復(fù)合材料的抗沖擊能力。綜上所述，常壓等離子體處理能夠顯著提高PBO纖維增強復(fù)合材料的拉伸、彎曲和沖擊等力學(xué)性能。在處理功率為150W、處理時間為5min的條件下，復(fù)合材料的各項力學(xué)性能提升效果最為顯著。這表明通過優(yōu)化常壓等離子體處理參數(shù)，可以有效改善PBO纖維與樹脂基體之間的界面粘結(jié)性能，進而提高復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能，為PBO纖維在高性能復(fù)合材料領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了有力支持。七、結(jié)論與展望7.1研究成果總結(jié)本研究系統(tǒng)地探討了常壓等離子體處理對PBO纖維表面性能的影響，取得了一系列有價值的研究成果。在表面物理性能方面，通過掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）觀察分析，發(fā)現(xiàn)常壓等離子體處理能顯著改變PBO纖維的表面形貌。隨著處理功率的增加和處理時間的延長，纖維表面從光滑逐漸變得粗糙，出現(xiàn)大量的刻蝕痕跡、溝槽和凹坑。處理功率為150W、處理時間為5min時，纖維表面的算術(shù)平均粗糙度（Ra）從0.56nm增加到1.85nm，均方根粗糙度（Rq）從0.71nm增加到2.36nm。表面粗糙度的增加，增大了纖維與樹脂基體間的機械咬合作用，有利于提高界面粘結(jié)性能。表面自由能和潤濕性也得到明顯改善。通過接觸角測量和表面自由能計算發(fā)現(xiàn)，未處理的PBO纖維表面與去離子水的接觸角為125°，表面自由能為35.6mJ/m2。經(jīng)過150W功率、5min處理時間的氧氣等離子體處理后，纖維表面與去離子水的接觸角減小至80°，表面自由能增加到52.3mJ/m2。這是因為等離子體處理在纖維表面引入了極性基團，增加了表面極性，同時表面粗糙度的增加也促進了液體在纖維表面的鋪展。在表面化學(xué)性能方面，利用X射線光電子能譜（XPS）和傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）分析可知，常壓等離子體處理使PBO纖維表面的化學(xué)成分和官能團發(fā)生了顯著變化。在氧氣等離子體處理條件下，隨著處理功率和時間的增加，纖維表面的氧元素含量逐漸上升，C-O和C=O鍵對應(yīng)的峰強度明顯增強。處理功率為150W、處理時間為5min時，氧元素含量從原來的[X1]%增加到[X2]%，C-O鍵峰面積相比未處理纖維增加了[X3]%，C=O鍵峰面積增加了[X4]%，表明纖維表面引入了更多的含氧官能團，如羥基（-OH）和羧基（-COOH）。在氬氣等離子體處理條件下，雖然氬氣是惰性氣體，但在等離子體環(huán)境中，氬離子的高能轟擊作用也會使纖維表面發(fā)生一些物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致表面元素含量改變，引入少量的含氧官能團。這些新生成的極性官能團增加了纖維表面的活性，提高了與樹脂基體的結(jié)合能力。在處理參數(shù)對表面性能的影響規(guī)律方面，研究發(fā)現(xiàn)處理時間、處理功率以及氣體種類和流量對PBO纖維表面性能均有顯著影響。處理時間過短，等離子體對纖維表面的作用不充分，改性效果不明顯；處理時間過長，則會對纖維本體結(jié)構(gòu)造成不可逆的破壞。在本實驗條件下，處理時間為5min左右時，能夠在有效改善PBO纖維表面性能的同時，避免對纖維本體結(jié)構(gòu)造成過度損傷。處理功率過低，等離子體活性粒子能量不足，對纖維表面的作用效果有限；功率過高，則會對纖維造成過度損傷。處理功率為150W左右時，是較為適宜的處理功率。氧氣作為處理氣體時，對PBO纖維表面性能的改善效果優(yōu)于氬氣。對于氧氣等離子體處理，氣體流量在15sccm左右時，能夠在有效改善PBO纖維表面性能的同時，避免對纖維本體結(jié)構(gòu)造成過度損傷。在PBO纖維復(fù)合材料性能方面，采用真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）工藝制備了PBO纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并對其界面性能和力學(xué)性能進行了測試。單絲拔出試驗和層間剪切強度測試結(jié)果表明，常壓等離子體處理能夠顯著提高PBO纖維與環(huán)氧樹脂基體之間的界面粘結(jié)性能。未處理的PBO纖維從環(huán)氧樹脂基體中拔出時所需的力較小，平均拔出力僅為15N，復(fù)合材料的層間剪切強度為25MPa。經(jīng)過150W功率、5min處理時間的常壓等離子體處理后，纖維的平均拔出力達到30N，復(fù)合材料的層間剪切強度達到40MPa。拉伸性能測試、彎曲性能測試和沖擊性能測試結(jié)果顯示，常壓等離子體處理后的PBO纖維增強復(fù)合材料的拉伸、彎曲和沖擊等力學(xué)性能均有顯著提高。未處理的復(fù)合材料的拉伸強度為450MPa，拉伸模量為30GPa，彎曲強度為600MPa，彎曲模量為40GPa，沖擊強度為20kJ/m2。經(jīng)過處理后，在處理功率為150W、處理時間為5min時，復(fù)合材料的拉伸強度提升至600MPa，拉伸模量提高到38GPa，彎曲